使用細胞冷凍電子斷層掃描技術(shù)，無需脫水或染色，只要將其原生狀態(tài)保存在玻璃態(tài)冰中即可觀察到完整的細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。使用該技術(shù)可觀察到大分子復(fù)合物在細胞內(nèi)的的形狀和分布。這其中不僅僅是一個單一的蛋白質(zhì)或復(fù)合物，而是冷凍瞬間細胞內(nèi)部的生物機制。正如 Feynman 所預(yù)言的，這種先進的技術(shù)為我們提供了關(guān)于細胞生物學(xué)的諸多基本問題的答案——甚至還包括最小的單細胞生物：細菌和古生菌。

細菌通過組裝專門的 IV 型分泌系統(tǒng) (T4SS)，將molecular cargo注入到靶細胞內(nèi)。利用冷凍電子斷層掃描技術(shù)，科學(xué)家 Chang 和 Shaffer 等人第一次公布了與體內(nèi)癌癥相關(guān)的 T4SS 結(jié)構(gòu)，并解析了幽門螺桿菌遇到胃上皮細胞時所產(chǎn)生的*的膜質(zhì)附屬物結(jié)構(gòu)。（圖片 © 2016 Oikonomou, C., Chang, YW. & Jensen, G. Nat Rev Microbiol 14, 205–220）

在這種新技術(shù)的推動下，我們對結(jié)構(gòu)微生物學(xué)的理解飛速發(fā)展，但相關(guān)教育的推進速度卻要慢得多。細胞生物學(xué)和微生物學(xué)的教科書不僅更新速度緩慢，過程也十分艱難。這樣一來，學(xué)生們從書本中往往了解到的是幾十年前的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，沒有機會看到我們在近十年中取得的知識飛躍。由于冷凍電鏡價格昂貴，只能由受過嚴格訓(xùn)練的專家來操作，所以學(xué)生們也沒有機會親自感受冷凍電鏡的魅力。

自從 Grant  2002 年在加州理工學(xué)院創(chuàng)辦實驗室以來，他們小組的科學(xué)家已經(jīng)獲得了超過 40000 張的細胞斷層圖。為了探索生物學(xué)問題的答案，他們已經(jīng)用冷凍電鏡觀察了幾十個不同菌種的細菌和古生菌。他們將相關(guān)的研究成果發(fā)表，并在 2018 年開始探索如何通過建立一個廣泛的、基于區(qū)塊鏈的公共數(shù)據(jù)庫，與科學(xué)界共享所有的數(shù)據(jù)。此外，我們也認為這些圖像可以吸引更廣泛的受眾，比如非專業(yè)人員——無論是醫(yī)學(xué)實習(xí)生還是生物學(xué)愛好者——都會希望可以看到細菌和古生菌的真實面貌。

2020 年 12 月，Jensen Lab在加州理工學(xué)院圖書館上線了網(wǎng)絡(luò)版《細菌和古生菌細胞結(jié)構(gòu)圖集》。這是一本免費的教科書，以寓教于樂的方式講解冷凍電子斷層掃描技術(shù)，并根據(jù)當(dāng)前技術(shù)成果及時更新內(nèi)容。

《細菌和古生菌細胞結(jié)構(gòu)圖集》作為一本開源多媒體教科書，以從未有過的形式展示了微生物細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中包含有大約 150 組效果非常好的冷凍斷層掃描圖像及動畫。

—— 詹森實驗室 (@theJensenLab) 2020年12月23日